기획특집: 미래산업 대응 소재 - CHERIC · 2016-08-10 · 다. Metallic glass는 결정질 금속 대비 3~10배의 강도 및 5~10배의 탄성 변형한계, 2~3배의

KIC News, Volume 19, No. 4, 2016 1

1. 서 론1)

강철보다 가벼우면서 강하고 부식이 없으며, 플

라스틱처럼 자유로운 모양 형성이 가능한 금속이

있다면? 전자제품 외장재부터 특수한 항공우주용

부품까지 그 활용도는 무궁무진할 것이다. 공상과

학영화에나 나올법한 이 물질은 무엇일까? 바로

Liquid metal 등으로 불리는 Metallic glass이다.

일반적인 금속재료는 금속원자가 넓은 범위에

주기적으로 규칙 배열한 결정 구조를 가지고 있

다. 이와 달리, 비정질 금속은 주기성이 결여된 무

질서한 원자 배열상태를 갖고 있고 이는 액체나

기체 상태의 원자 배열과 유사하다. 이러한 상태

를 비정질(Amorphous)이라고 하며, 용융된 금속

을 고속으로 냉각하면 무질서한 상태로 존재하던

원자들이 규칙적 배열을 이루지 못하고 응고된다.

1960년 Caltech의 Duwez 등이 급속응고법을

이용하여 제조한 Au-Si계 합금의 비정질 상을 발

견하면서 Metallic glass에 대한 연구가 시작되었다

저자 (E-mail: [email protected])

[1]. 하지만 초기단계의 연구에서 얻어진 Metallic

glass들은 대부분 105 ℃/sec 이상의 냉각속도를 필

요로 하였으며, 재료의 형상도 두께 50 µm 이하의

리본, 직경 40 µm 이하의 분말이나 100 µm 이하

의 wire 등 작은 것에 한정되어 다른 분야로의 응용

이 어려웠다. 그 후 1980년대부터 유의할만한 성과

들이 나타나기 시작하였고, 특히 1984년 Pd-Ni-P계

합금에서 B2O3와 함께 용해, 응고를 반복하는 방

법을 이용하여 약 8 mm 구형의 bulk metallic

glass를 제조하는 성과가 이루어졌다[2]. 이후 수

많은 합금계에 대한 탐색이 이루어졌고 우수한 물

성의 다양한 합금계가 발견되었다. Metallic glass

Metallic Glass의 응용기술 동향

박 금 환†⋅김 영 석

전자부품연구원 디스플레이소재부품연구센터

Trend in Application Technology of Metallic Glass

KeumHwan Park† and Young Seok KimDisplay Materials & Components Research Center, Korea electronics Technology Institute, #25 Saenari-ro,

Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi-do 13509, Korea

Abstract: Metallic glass는 기존의 결정질 금속 소재에 비해 우수한 기계적, 화학적, 자기적 특성들로 인하여 꿈의 신

소재로 각광받으며 많은 연구가 이루어져 왔으나 실제 산업계에서 큰 수요증가가 이루어지지 못하였다. 하지만 근래

에 들어 Biomedical, 에너지, MEMS (micro-electromechanical system), 및 유연전자 기술 분야 등에서 metallic glass

를 이용하여 우수한 연구 성과들을 발표하면서 실용화에 대한 기대감을 다시금 높이고 있다. 본고에서는 metallic

glass의 물성에 대한 간략한 소개와 다양한 분야에서 이루어지고 있는 응용기술을 중심으로 서술하였다.

Keywords: Metallic glass, amorphous metal, Anti-corrosion, Thermoplastic deformation, Super-elastic

Figure 1. Arrangement of atoms of Metallic glass and

crystalline metal.

기획특집: 미래산업 대응 소재


2 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

는 꿈의 신소재로 주목받으며 그 이후로 많은 연구가

이루어져 왔으나, 종래의 금속 소재 대비 상대적인 가

격경쟁력 및 기술의 난이도 등의 문제로 수요증가가

이루어지지 못했다. 하지만 근래에 들어 Biomedical,

에너지, MEMS (micro-electromechanical system),

및 유연전자 기술 분야 등에서 metallic glass를 이

용하여 우수한 연구 성과들을 발표하면서 기능성

신소재인 metallic glass에 대한 관심이 다시금 증

대되고 있다.

2. Metallic glass 개요

2.1. Metallic glass의 특성

높은 기계적 강도 및 우수한 화학적 안정성, 그

리고 뛰어난 자기특성 등 일반적인 금속재료에서

는 발견되지 않는 Metallic glass의 다양한 특징들

은 입계(grain boundary)나 면결함 등이 존재하지

않는데 기인한다. 일반 결정질 금속에는 일반적으

로 많은 결함(atomic disorder)이 있다. 이러한 결

함이 금속의 변형을 용이하게 하는 역할을 하지만

동시에 강도를 약하게 한다. 결정성 금속의 경우

위의 Figure 2와 같이 외력이 가해질 시 낮은 탄성

변형 한계 특성으로, 쉽게 변형하며 충격에너지를

흡수하지만 Metallic glass는 polymer 재료와 유사

한 수준의 높은 탄성 변형 한계 특성을 보인다.

다음 Figure 3은 다양한 재료들의 강도 및 탄성

한계를 도식화한 것으로, Metallic glass가 갖고 있

는 높은 강도 특성과 우수한 탄성 특성을 보여준

다. Metallic glass는 결정질 금속 대비 3~10배의

강도 및 5~10배의 탄성 변형한계, 2~3배의 표면

경도 및 스테인리스강보다 수만 배의 높은 내식성

을 갖고 있다.

Metallic glass는 이외에도 유리나 고분자재료와

같이 유리전이온도(glass transition temperature)를

갖고 있다. 일반적으로 액체를 냉각하면 녹는점에

서 결정화가 시작된다. 이때 냉각속도, 액체의 점

도, 고상과 액상 계면의 에너지 등 다양한 조건에

의해 과냉 액체(supercooled liquid) 상태를 유지할

수 있다. 과냉도가 커짐에 따라 핵 생성의 구동력

은 증가하지만 동시에 원자의 이동도도 감소하게

된다. 결국 냉각속도를 충분히 빠르게 하여 저온

까지 냉각시키면 액체구조가 그대로 유지된 상태

에서 원자의 이동이 불가능해지며 유리전이온도

에서 균일하게 응고된다. 유리전이온도란 유리물

질의 점성이 1012 Pa⋅s에 달하는 지점으로 간주

하며 절대온도에 녹는점 대비 약 60% 정도의 온

도에서 나타난다. 이러한 변화들은 온도에 따른

과냉 액체의 부피변화를 측정하여 확인할 수 있

다. Figure 3에서 볼 수 있듯이 결정화 과정은 녹

는점(Tm)에서 갑작스러운 부피변화가 발생하지만

Figure 2. Illustration of elastic property test of crystalline metal (left) and metallic glass (right).

Figure 3. Strengths and elastic limits for various materials.



과냉각이 진행되는 경우에는 연속적으로 부피가

감소하다가 유리전이온도에서 기울기의 변화가

일어나며 최종적으로 액상의 원자구조를 유지한

채 응고한다.

2.2. Metallic glass의 제조

Metallic glass는 금속 원소들로 구성된 고온의

액상을 급랭하여 얻어진 준안정상이다. 이를 제조

하기 위해서는 녹는점(Tm)과 유리전이온도(Tg) 사

이인 과냉각 액체구간에서 결정상의 핵생성 및 성

장을 억제해야 하므로 녹는점 이상의 온도에서 유

리전이온도까지 충분한 속도로 냉각시켜야 한다.

초기 개발된 Metallic glass가 제한된 크기의 시편

으로만 얻어졌던 것과는 달리 이후 많은 연구를

거쳐 0.1 ℃/sec에서 수백 ℃/sec 정도의 매우 낮은

임계냉각속도를 갖는 다양한 합금들이 발견되었

고, 이들을 실험적인 방법으로 비정질 형성능을

판단할 수 있는 기준이 되는 시편의 두께도 최대

100 mm까지 급격히 증가하였다. 비정질 형성능

에 대한 평가는 구리 몰드 주조법으로 해당 조성

의 합금을 제조하여 비정질화가 가능한 최대 직경

을 확인하여 평가한다.

일반적으로 비정질 형성능이 높은 Metallic

glass를 제조하기 위해서는 다음의 3가지 경험법

칙을 만족해야 한다. (1) 3가지 성분 이상을 포함

하는 다성분계 시스템, (2) 주요 구성 원자들 간

12% 이상의 원자반경 차이, (3) 구성 원소들 사이

에 커다란 음의 혼합열(heat of mixing) 관계가 그

것이다[4]. 이러한 조건을 만족하는 경우, 액상에

서 조밀한 충진구조를 이루게 되고 이를 통해 고

체/액체 계면 간의 에너지 증가를 유발하여 결정

상의 핵 생성을 억제하고 낮은 원자 확산도를 통

해 결정상의 성장을 방해하여 비정질 형성능이 증

가하게 된다[5]. 해당 경험법칙을 활용하여 활발한

연구들이 이루어져 왔으며, 아래 Table 1은 지금

까지 개발된 최대 직경 10 mm 이상의 bulk metal-

lic glass에 대한 내용이다[6].

3. Metallic glass의 응용

3.1. Metallic glass의 내화학성 및 생체친화성:

Biomedical application

Zr계 metallic glass의 경우 결정화온도와 유리

전이온도와의 차이인 ΔTx가 100 K 이상으로 나타

나며 기계적 성질도 우수하여 다양한 분야에 응용

할 수 있다. 그중 Zr60Cu20Ni10Al10이 대표적으로,

묽은 황산에 대해 강한 내식성을 보인다. 하지만

염화이온이 존재하는 산성 용액에서는 낮은 내식

특성을 나타낸다. 이때 Zr의 일부를 Nb, Ta, Cr 등

으로 치환하면 내식성이 향상되는데, 특히 Zr 약

20%를 Nb로 치환하면 순수 Nb과 비슷한 수준의

내식특성을 나타낸다[7,8]. 고내부식 합금의 임상

응용(clinical application) 가능성을 검토하기 위해

서는 생체적합성(biocompatability)을 평가하는 것

이 필수적이다. 다양한 연구에서 Zr계 metallic

glass를 이용하여 in vitro 세포 반응 및 in vivo im-

plant 실험 등을 통해 이를 확인하였다[9-12].

Figure 5는 ZrCuAlAg Metallic glass와 현재 의

료용으로 사용되고 있는 Ti-6Al-4V 합금을 동물

에 implant한 실험의 결과를 나타낸 것이다.

Implant 4주 후 관찰에서 뼈 조직과 metallic glass

의 갭은 4 µm, Ti-6Al-4V 합금과 조직과의 갭은

6 µm로 나타나 metallic glass의 친화성이 다소 우

*출처 : 한국주조공학지, 29, 53-58 (2009).

Figure 4. The change in volume during the glass formation

or melting of the liquid[3].



세하게 나타났다. Implant 8주 후부터는 두 종류

모두 갭이 관찰되지 않았다. 총 12주에 걸쳐서 im-

plant된 금속재료의 화학적 변화를 관찰하였으며,

일반적으로 나타나게 되는 골괴사증이나 염증등

이 나타나지 않고 성분변화가 관찰되지 않아 결과

적으로 metallic glass는 Ti-6Al-4V 수준 이상의

생체적합성을 나타냄을 확인하였다[13].

Mg계 합금은 최근 implant용 재료로써 각광받

고 있다. 하지만 생분해성(biodegradable) Mg계

합금은 강도(strength) 부족, 공식(pitting corrosion),

그리고 뼈의 회복 속도보다 빠른 분해속도가 한계

점으로 지적되고 있다. 또한 빠른 분해 시 발생하

는 수소와 국부적 염기성화 작용은 주위의 조직에

손상을 발생시킬 수 있다. 이를 해결하기 위해 기계

적 강도가 높고 부식 속도가 느린 Mg-based metal-

lic glass가 적용되어 연구되었다[14]. 다음 Figure

6에서 볼 수 있듯이 결정성 Mg계 합금을 사용한

경우 수소가 발생에 의한 cavity가 관찰되나(b와 d

의 검은색 화살표), metallic glass를 사용한 경우

에는 91일이 지난 후에도 cavity가 발견되지 않음

을 확인하였다.

System Alloy Critical size (mm) Method Year

Pd-basedPd40Ni40P20 >10 Fluxing 1984

Pd40Cu30Ni10P20 72 Water quenching 1997

Zr-basedZr65Al7.5Ni10Cu17.5 16 Water quenching 1993

Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10Be22.5 25 Cu mold casting 1996

Cu-basedCu46Zr42Al7Y5 10 Cu mold casting 2004

Cu49Hf42Al9 10 Cu mold casting 2006

Mg-basedMg54Cu26.5Ag8.5Gd11 25 Cu mold casting 2005

Mg65Cu7.5Ni7.5Zn5Ag5Y5Gd5 14 Cu mold casting 2005

Fe-based

Fe48Cr15Mo14Er2C15B6 12 Cu mold casting 2004

(Fe44.3Cr5Co5Mo12.8Mn11.2C15.8B5.9)98.5Y1.5 12 Cu mold casting 2004

Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2 16 Cu mold casting 2005

Co-based Co48Cr15Mo14C15B6Er2 10 Cu mold casting 2006

Ti-based Ti40Zr25Cu12Ni3Be20 14 Cu mold casting 2005

Ca-based Ca65Mg15Zn20 >15 Cu mold casting 2004

Pt-based Pt42.5Cu27Ni9.5P21 20 Water quenching 2004

RE-basedY36Sc20Al24Co20 25 Water quenching 2003

La62Al15.7Cu11.15Ni11.15 11 Cu mold casting 2003

*출처 : MRS Bulletin, 32, 611-619 (2007).

Table 1. Typical Bulk Metallic Glasses[6]

*출처 : J. Non-Cryst. Solids, 419, 82-91 (2015).

Figure 5. The animal study results after implantation for 4

weeks (left column), and 12 weeks (right column[13] : (a),

(b) radiographs of thighbones with ZrCuAlAg Metallic

glass and Ti-6Al-4V implants after surgery, H&E stained

results after implantation: (c), (d) ZrCuAlAg metallic glass

implant and (e), (f) Ti-6Al-4V implant, and SEM images

of implants and bone interface, and the corresponding EDS

analysis with the elemental distribution of the white line:

(g), (h) ZrCuAlAg metallic glass implant.



Ni계 metallic glass의 대표적인 조성인

Ni65Cr15P16B4은 ΔTx가 50 K 정도에 이르는 비교

적 넓은 과냉각액체구간을 갖고 있다. 이 합금에 Ni

과 Cr을 줄이고 Ta 또는 Mo를 첨가하여 내식성을 향

상시킬 수 있으며 특히 Ta를 첨가한 Ni55Cr15Ta5P16B4

합금에서는 과냉각액체구간의 넓이가 유지되었음이

확인되었다. 최근에는 NiTa20-22Nb14-18Mo1-2Cr3-1P4 합

금계에서 303 K, 12N의 HCl 용액에서 7일간 담

가두어도 부식이 전혀 발견되지 않는 것이 발견되

었다. 이는 Ta, Nb, Cr, Mo이 각각 약 60, 27, 6,

7%로 확인된 합금 피막에 의해 나타나는 특성으

로 생각된다[15].

Fe계의 경우 높은 내식성을 갖는 Fe-Cr-P-C 합

금계에서 발견된 부동태 피막이 수화옥시수산화

크롬이라는 사실이 밝혀졌으며, 이에 Mo를 첨가

하면 더욱 내식성을 향상시킬 수 있다. Cu계는

Cu60Zr30Ti10 및 Cu60Hf25Ti15가 기본 조성이나, 산

성용액 특히 염화이온이 존재하는 환경에서 내부

식성이 매우 낮은 특징을 보인다. 이에 Nb을

6~8% 첨가하면 유리형성능을 저하시키지 않고

내부식성을 향상시킬 수 있으며, Ni을 Nb과 함께

사용하여 더욱 내식성을 높인 연구도 발표되었다.

Pure Ti 또는 Ti-6Al-4V와 같은 결정성 합금은

높은 생체적합성 및 강도로 인해 이미 생체 im-

plant 등에 널리 활용되고 있다. Ti-based metallic

glass는 이러한 재료들 또는 316L stainless steel보

다 높은 내식성을 나타냄을 확인하였고[16,17], 이

의 생체 적합성을 평가하려는 연구가 활발히 진행

되었다. 위의 Figure 7은 Ti-based metallic glass와

pure Ti의 생체 적합성을 평가한 내용이다[18]. 두

샘플에서 모두 염증이나 뼈의 융식(resorption)이

관찰되지 않았으며 생체적합성이 충분함을 확인

하였다.

3.2. Metallic glass의 내화학성 및 superplastic

formable property: Micro 연료전지

Micro 연료전지는 높은 출력밀도(power density),

낮은 작동온도, 안정적인 전류 공급 등 휴대용 전

자기기의 차세대 전원으로 유망한 특성을 나타낸

다. 다만 연료전지 시스템을 이루는 구성성분들은

높은 효율을 위해 micron scale 이하의 미세구조

를 가져야 하며, 할로겐화물 이온이 포함된 산성

환경(pH = 2.0)에서 화학적 안정성을 확보해야 한

다. 현재는 실리콘을 기반으로 하여 micro electro-

*출처 : Nat. Mater., 8, 887-891 (2009).

Figure 6. Animal studies of Mg-based glass in comparison

with a crystalline Mg alloy reference sample[14]. Glassy

Mg60Zn35Ca5 (a, c) and crystalline Mg alloy reference

(WZ21) (b, d) in two types of porcine abdominal tissue

(muscle after 27 days (a, b) and subcutis after 91 days (c,

d) of implantation).

*출처 : Mater. Sci. Eng. C, 33, 3489-3497 (2013).

Figure 7. Implantation of TZHCNSS Metallic Glass (MG)

and pure Ti samples[18] (a) MG sample; (b) representative

X-ray images for the implants and (c, d) representative

histological images stained by methylene blue after 1

month implantation.



mechanical system (MEMS) 기술을 사용하여 미

세구조를 제작한다[19]. 하지만 이는 복잡한 제조

공정을 요구하고 무엇보다 실리콘의 낮은 전기전

도도 및 충격강도로 인해 신뢰성이 저하되는 문제

가 있어 새로운 재료에 대한 요구가 높다. 실리콘

을 대신하여 stainless steel을 사용한 연구가 시도

되었는데, 부식을 방지하기 위해 gold로 코팅하는

과정이 필요하였다[20].

이러한 문제점을 해결하기 위해 metallic glass

를 이용하여 micro 연료전지의 catalyst layer, gas

diffusion layer, 그리고 flow field를 제조한 연구

가 진행되었다[21]. Flow field를 제작하기 위해

Zr35Ti30Cu8.25Be6.75를 390 ℃에서 hot embossing으

로 제조하였고, catalysis layer는 높은 표면적을 요

구하고, gas diffusion layer는 작은 사이즈의 hole

이 요구되므로 Figure 8과 같이 Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.5

를 270 ℃에서 역시 hot embossing하여 nanowire

가 존재하는 hole 패턴을 제작하였다.

이렇게 제작된 연료전지의 내구성을 평가하기

위해 60 ℃ 0.5 M 황산수용액 조건에서 electro-

chemical surface area (ECSA)를 측정하였다. 비

교군으로는 standard Pt/C-based 잉크(ETEK)가 코

팅된 gas diffusion layer가 사용되었다. 위의

Figure 9와 같이 metallic glass의 경우 약 250 cy-

*출처 : Small, 9, 2081-2085 (2013).

Figure 8. Schematic of the fabrication of Pt-BMG nanowire electrode with through-holes[21]. A-D) nanomolding of MG

nanowires. E) With controlled pressure (130 MPa) and temperature (270 ℃) silicon pillars are pressed against the Pt-BMG

nanowire plate. F) Pt-BMG melts and the silicon pillars punch through the melting plate. G) Silicon is dissolved in KOH

exposing the plates with through-holes, H-K) SEM images of the finished Pt-BMG nanowire electrode with gas feeding

through-holes.

*출처 : Small, 9, 2081-2085 (2013).

Figure 9. (a) Micro fuel cell using Zr-based MG flow field/current collector plates and the porous Pt-based MG nanowire

catalytic layer architecture. (b) Loss of the electrochemical surface area (ECSA) after accelerated durability test of porous

Pt-based MG electrode and Pt/C (E-TEK) catalysts with the number of cyclic voltammogram (CV) cycles in nitrogen-purged

0.5 M H2SO4 solution at 60 ℃[21].



cle에서 108% 수준에 도달하여 안정화된 반면,

PT/C ETEK는 ECSA가 지속적으로 감소하다

1,000 cycle에서 40% 수준까지 떨어진다. 이러한

Metallic glass의 우수한 내부식성 및 열가소성을

이용하면 연료전지 이외에도 micro fluidics, 센서,

배터리 등 에도 응용이 가능할 것으로 예상된다.

3.3. Metallic glass의 superplastic formable

property: 초소수성 표면

2000년대 들어 물방울의 접촉각이 150° 이상

구현될 수 있는 초소수성(superhydrophobic) 표면

을 제작하는 연구들이 활발히 이루어져 왔다. 이

를 위해서는 sub-micron scale의 패턴이 표면에 구

성(lotus effect)되어야 하며, 따라서 주로 고분자

재료를 이용하여 imprinting 하는 등의 방법

[22,23]을 이용하여 진행되었고, 특별히 높은 내구

성이 요구되는 경우에는 금속이나 세라믹 재료에

반도체 공정을 적용한 식각법[24,25]을 이용하여

왔으나 공정이 복잡하고 제작비용이 상승하는 문

제가 있음에도 불구하고 충분히 높은 표면에너지

를 갖도록 제작하는데 한계가 있었다.

이를 해결하고자 metallic glass를 이용하여 초

소수성 표면을 갖는 금속을 제작하고자 하는 연구

가 진행되었다[26]. Metallic glass는 결정질 금속

보다 우수한 기계적 물성을 나타냄과 동시에 과냉

각액체구간에서 소성변형이 가능하여 고분자와

같이 imprinting 방식으로 미세구조를 제작할 수

있다. Pd40Cu30Ni10P20 조성의 metallic glass가 이

용되었으며 유리전이온도(Tg)가 579 K, 결정화온

도(Tx)가 655 K이므로 해당 온도 구간에서 honey-

comb 구조(depth : 100 µm, pitch : 35.5~600 µm)

로 미리 제작된 실리콘 몰드를 이용 hot-emboss-

ing 방식으로 제작하였다.

위의 Figure 9의 (a), (b)와 같이 제작하고자 하

는 미세구조가 잘 형성되었음을 확인할 수 있고,

(c), (e)에서 pitch 111.5 µm에서 150° 이상의 초소

수성이 나타남을 확인할 수 있다. Metallic glass는

이론적으로 원자단위까지 성형이 가능하므로 몰

드 제작기술이 점차적으로 발전한다면 더욱 정교

하고 기능성이 높은 패턴을 제작할 수 있을 것으

로 전망된다.

3.4. Metallic glass의 superplastic formable

property: MEMS

MEMS는 ‘micro Electro-mechanical system’의

약자로 전자소자를 미세크기로 제작하는 기술이

다. 최근의 MEMS 기술은 미세구조물을 제조하는

영역에서 벗어나 센서 및 구동기 등을 구성할 수

*출처 : Appl. Phys. Lett., 101, 081601 (2012).

Figure 10. (a)-(b) : SEM images of hot embossed structure (a) pitch = 35.5 µm, (b) pitch = 115.5 µm, (c)-(f) contact angle

of hot embossed structure[26].



있을 만한 수준에 이르러 다양한 기능이 작은 칩

속에 담길 수 있게 되었다. MEMS 기술의 발달과

함께 이에 적합한 소재의 개발 또한 요구되고 있

다. 미세한 구조물이 충분한 강도와 인성을 확보

해야 하며 정교한 성형이 가능할 수 있어야 할 것

이다. Metallic glass의 경우 일반적으로 고분자 소

재보다 훨씬 큰 점도를 갖지만 적절한 응력과 온

도 제어를 통해 극미세부품이 성형이 가능하다.

게다가 metallic glass는 결정구조를 갖지 않기 때

문에 이론적으로는 원자 단위 크기까지 성형가공

이 가능하다. 따라서 metallic glass는 향후 MEMS

기술을 적용하기 가장 적합한 재료로 꼽히고 있으

며, 현재 다양한 연구가 진행되고 있다. 위의 Figure

10과 같이 일반 결정질 금속재료를 이용하여 제작

하기 어려운 구조물을 쉽게 성형할 수 있다.

3.5. Metallic glass의 superelastic property:

투명전극

현재 가장 보편적으로 사용하고 있는 투명전극

소재는 인듐 산화물(In2O3)에 주석산화물(SnO2)이

도핑된 ITO박막이다. ITO 고진공의 스퍼터 공정으

로 제조되며, In의 자리를 Sn이 치환하게 되는데 이

때 결정도를 유도하기 위해 기판의 온도를 300 ℃ 이상의 고온으로 만들어 저항이 낮은 ITO를 제작

하기 때문에 가능한 기판의 종류에 한계가 있고 재

료 자체 특성상 매우 낮은 변형률(strain)을 갖기 때

문에 미래의 전자기기로 주목받고 있는 플렉서블

디바이스용 소재로 사용되기에는 어려운 실정이다.

현재 차세대 투명전극 소재로 활발히 연구개발

되고 있는 소재로는 투명 전도성 화합물, 은나노와

이어, Metal mesh, 탄소나노튜브, 그래핀, 전도성

고분자 등이 있다. 전도성 고분자 및 탄소나노튜브

의 경우 뛰어난 유연성으로 인해 차세대 투명전극

용 소재로써 많은 주목을 받고 있지만 소재 자체의

높은 전기 저항 특성으로 인해 실제 적용성에 있어

한계가 있으며, 그래핀의 경우 플렉서블 전극 소재

로써 아주 우수한 이론적 특성으로 인해 활발한 연

구가 이루어지고 있으나 제조 시 복잡한 공정을 사

용하므로 최종 수율이 극히 낮고, 대면적용 전극으

로 제조할 수 있는 공정 개발에 어려움이 있다. 은

나노와이어나 Metal mesh 등 금속 재료를 사용하

는 경우 비교적 높은 유연성을 기대할 수 있고, 무

엇보다 낮은 면저항 구현이 가능하여 ITO 대체 투

명전극으로의 가능성이 가장 높게 평가되고 있다.

그러나 이러한 결정질 금속은 재료 자체의 특성상

polymer 수준의 우수한 탄성 변형을 기대하기 어

려워 진정한 의미의 플렉서블 디바이스용 재료로

활용되기에는 물성이 다소 부족하다.

이러한 소재적 한계를 극복할 수 있는 가능성을

보여주는 연구결과가 최근 발표되었다[28]. 투명

전극 재료로 전기방사법(electrospinning)과 co-

sputtering을 이용하여 제조한 CuZr metallic glass

가 사용되었으며, nanotrough 네트워크 구조를 만

들어 투명전극을 제작하였다. 투과도 90%에서 면

저항 3.8 Ω/sq를 나타낼 만큼 우수한 전기적 특성

을 나타내었고, 70% 인장변형(tensile strain)에서

30% 미만의 저항변화를 보였다. 또한 화학적으로

안정한 특성으로 인해 고온고습 테스트(온도 85

℃, 습도 85%) 조건에서 240 h 후에도 저항변화가

나타나지 않았으며 180 ℃까지 온도 증가가 가능

*출처 : Mater. Sci. Eng. A, 25, 449-451 (2007).

Figure 11. Three-dimensional parts obtained by using thermoplastic forming of metallic glass and subsequent hot-separation

method. (a) Rods where the smooth cutting surface is visible. (b) Complex micro gears. (c) Coil shape spring[27].



함을 확인하였다. 이러한 물리적 특성은 기존의

플렉서블 투명전극 소재들로는 달성하기 어려운

수준이며 Figure 11과 같이 극도의 변형에서도 신

뢰성을 유지하여 차세대 전극소재로서의 가능성

을 확인했다고 할 수 있다. 기존 대비 작은 곡률반

경 및 고신뢰성 전극소재를 사용하게 되므로 완전

히 접을 수 있는 전자기기까지 구현이 가능하게

될 것으로 예상된다. 다음 Figure 12는 자동차 사

이드미러에 투명히터를 적용하여 실제 응용가능

성을 보여주는 내용이다.

4. 결 론

미래의 유망한 기능성 재료인 metallic glass에

대해 소개하였다. 현재까지 metallic glass의 우수

한 물성을 이용하여 다양한 연구가 진행되었고,

비록 대부분이 lab scale 수준에 머물러 있을지라

도 응용분야가 다양화되고 있다는 점은 상당히 고

무적이다. Metallic glass 조성에 관한 연구는 대체

로 유리형성능이 우수한 조성을 찾는데 초점이 맞

춰져왔으나, 유연전자 및 MEMS 등 현재 진행되

고 있는 응용 연구분야에서는 사용되는 미세한 크

기의 재료가 사용되므로 유리형성능은 다소 부족

하더라도 탄성 특성이나 강도 등 다른 물성이 우

수한 기능성 합금 조성을 찾는 방향으로 연구가

진행될 필요가 있다. 또한 Be이나 Pd와 같은 유해

성 원소를 사용하지 않으면서도 물성을 유지할 수

있는 조성 개발 역시 진행되어야 할 것이다. 이외

에도 metallic glass를 박막화할 수 있는 공정기술

이나, 이종재료와 metallic glass의 복합화, 또는

metallic glass foam 제작 등 다양한 형태로 metal-

lic glass를 제작할 수 있는 기술들이 갖춰진다면 소

재 발전에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

*출처 : Nano lett., 16, 471-478 (2016).

Figure 12. CuZr nanotrough electrode[28]. (a) Schematic illustration (left) and SEM image (right) of the folded electrode

on a 2 µm-thick transparent PI substrate. Scale bar, 30 µm. (b) Schematic illustration (left) and optical microscope image

(right) of the stretched electrode on PDMS. Scale bar, 1 cm. (c) Photograph and IR image of the heater attached on the

human hand.

*출처 : Nano lett., 16, 471-478 (2016)

Figure 13. Photograph of the CuZr nanotrough heater as a

defogging application (left, voltage off; right,voltage on).

All scale bars, 1 cm[28].


10 공업화학 전망, 제19권 제4호, 2016

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박 금 환2002~2006 KAIST 생명화학공학과

학사

2006~2008 KAIST 생명화학공학과

석사

2008~2012 KAIST 생명화학공학과

박사

2012~2013 삼성전자 종합기술원

전문연구원

2013~2015 삼성전자 글로벌기술센터

책임연구원

2015~현재 전자부품연구원 선임연구원

김 영 석1992~1996 KAIST 생명화학공학과 학사

1996~1998 KAIST 생명화학공학과 석사

1998~2002 KAIST 생명화학공학과 박사

2002~2007 LG 디스플레이 선임연구원

2012~2012 Havard University 방문연구원

2007~현재 전자부품연구원 책임연구원

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기획특집: 미래산업 대응 소재 - CHERIC · 2016-08-10 · 다. Metallic glass는 결정질 금속 대비 3~10배의 강도 및 5~10배의 탄성 변형한계, 2~3배의